Актуальность работы. Развитие теории и техники ближней радиолокации (БРЛ) связано с появлением новых и расширением существующих областей применения. Появились новые виды БРЛ: сверхширокополосная, ближнепольная, подповерхностная. Усложняется структура зондирующих сигналов. Вводятся нетрадиционные критерии эффективности. Возрастает значимость учёта особенностей объекта локации.
Особое место в ряду применений ближней радиолокации занимают средства контроля различных технологических процессов. Здесь возникают специфичные ограничения в выборе частотного диапазона и закона модуляции зондирующего излучения, учёта геометрии объекта контроля, и радиолокационной доступности (условий распространения радиоволн), конструктивного, и функционального сопряжения с объектом, в том числе, с установленной на нём контрольной (диагностической) аппаратурой.
При создании таких радиолокационных средств (РЛС) традиционные методы исследования и расчёта не всегда применимы. В этом отношении не является исключением одно из важнейших направлений применения радиолокационных методов - их использование для диагностики авиационных газотурбинных двигателей (ГТД).
Процесс совершенствования методов и средств функционального (полётного) диагностирования авиационных ГТД как серийных, так и находящихся в стадии разработки, затруднён вследствие следующих причин:
- невысокой контролепригодности ГТД, включая полную невозможность оперативного контроля некоторых параметров и поиска неисправностей;
- высокой стоимости надёжных средств диагностирования;
- низкой степени организации обработки диагностической информации, включая её доставку и ввод в бортовой компьютер;
- отсутствие (или запаздывание) обратной связи.
Хотя доля общего числа авиапроисшествий из-за отказов ГТД невелика (примерно 20%), их последствия - наиболее тяжёлые. Основная часть этих отказов приходится на проточный тракт ГТД - компрессор и турбину, причём перечень возникающих здесь неисправностей включает 35 позиций. Трудами отечественных и зарубежных учёных: Баркова А.В., Заблоцкого И.Е., Кебы И.В., Коростелёва Ю.А., Степаненко В.П., Шипова Р.А., Якобсона П.П., Carrington I.B., Cooper J.E., Dimitriadis G., Ewins D.J., Heath S., Hohenberg R., Holz R.G., Slater T., Robinson R.A., Stivenson R.E., Wright J.R., Zielinski M. выявлены причины и формы колебаний лопаток турбины и компрессора. В частности показано, что по спектру этих колебаний можно судить не только о состоянии рабочих колёс, но и о значительной части неисправностей других узлов проточного тракта.
В настоящее время предложены и разработаны методы бесконтактного измерения регулярных и вибрационных перемещений лопаток - тензометрические, магнитные, ёмкостные, индуктивные, оптические (Боришанский К.Н., Данилин А.И., Заблоцкий И.Е., Коростелёв Ю.А., Усанов Д.А., Шипов Р.А., Carrington I.B., Cooper J.E., Dimitriadis G., Ewins D.J., Heath S., Hohenberg R., Holz R.G., Robinson R.A., Slater T., Stivenson R.E., Wright J.R., Zielinski M. и др.). Серьёзным преимуществом этих технических решений следует считать использование (хотя и не всегда явное) вращения ротора для формирования измерительного сигнала (так называемого «дискретно-фазового метода»), что весьма существенно для помехозащищённости. Но реализация этих предложений требует препарирования ГТД и поэтому непригодна в функциональной диагностике.
Более перспективной представляется точка зрения А.И. Данилина о создании радиолокационной диагностической системы, «в первичном преобразователе которой функционально и конструктивно интегрированы объект контроля, источник и приемник излучения радиодиапазона, а также электронные узлы первичной обработки». Реализация этой идеи возможна средствами ближней (БРЛ) или ближнепольной (БПРЛ) радиолокации с применением малоразмерных антенн, автодинных приёмопередатчиков (В .Я. Носков, С.Д. Воторопин) и - для помехозащищённости - с частотно-модулированным излучением (И.В. Комаров, С.М. Смольский).
В связи со сказанным, дальнейшее развитие исследований в данной области является актуальным.
Объект диагностики. Проточный тракт авиационного газотурбинного двигателя (ГТД).
Предмет исследования. Структура и динамические характеристики вибродиагностической системы ближней радиолокации, включая автодинный приёмопередатчик.
Диагностический параметр. Состав и форма огибающей спектра регулярных и вибрационных перемещений лопаток компрессора и турбины.
Диагностический признак. Аномалии (рост дисперсии и изменение формы огибающей) в спектре.
Цель работы. Исследование, разработка научно-обоснованного метода и реализующего этот метод локатора БРЛ для функциональной диагностики роторов, и других узлов современных ГТД по вибрациям лопаток турбины, и компрессора в процессе полёта.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
Решаемые задачи.
1. Разработка новых и доработка известных физических принципов радиолокационного способа функциональной диагностики, диагностического алгоритма и структуры диагностической системы. Выбор наиболее пригодного в условиях полёта диагностического параметра, и уточнение перечня диагностических признаков.
2. Исследование структуры электромагнитного поля, возбуждаемого в объёме проточного тракта, и её зависимости от типа антенны, а также от регулярных и аномальных параметров рабочего процесса.
3. Построение физической модели вибродатчика автодинного типа, анализ динамических процессов. Спектральный анализ диагностического отклика и выявление в нём диагностических признаков.
4. Выработка информационного критерия контролеспособности диагностических средств, его количественная оценка. Выявление и минимизация помеховых откликов, порождённых специфическими факторами в проточном тракте.
5. Модернизация, в применении к виброконтролю, ранее запатентованной диагностической системы, схемы и конструкции датчика.
Методы исследования. Методы функциональной диагностики авиадвигателей; численные методы моделирования в электродинамике: метод моментов, многоуровневый быстрый метод многополюсников, метод тензорных функций Грина, решение системы линейных алгебраических уравнений методом исключения Гаусса, разложение электромагнитных полей по поперечным волновым числам, теория возмущений, методы численного интегрирования; теория нелинейных колебаний, включая спектрально-корреляционный анализ колебательных процессов; теория и методы проектирования РЛС с частотной модуляцией; теория извлечения и передачи информации; среда объектного программирования LabView для моделирования динамики процессов.
Научная новизна.
1. Разработан и научно обоснован метод ближней радиолокации проточного тракта ГТД с модуляцией отражённого сигнала с частотой, кратной числу оборотов ротора, предназначенный для вибродиагностики его состояния, и обеспечивающей в своей аппаратурной реализации невозмущающий характер контроля, включая невмешательство в конструкцию двигателя.
2. Установлена количественная взаимосвязь возбуждаемого в секции проточного тракта электромагнитного поля с конфигурацией, а также с регулярными и вибрационными перемещениями лопаток турбины и компрессора. Показано, что отмеченные явления, включая поломку одной лопатки, могут быть уверенно зарегистрированы по изменению коэффициента отражения.
3. Предложен новый диагностический параметр - огибающая виброспектра лопаток. Применительно к автодинному преобразованию радиолокационного отклика установлена количественная зависимость амплитуд и расстановки дискретных компонентов спектра от частоты вращения ротора, величины и характера виброперемещения. Обнаружено появление дискретного компонента, свидетельствующего о поломке одной лопатки и/или биений вала.
4. Выявлены специфичные помеховые факторы: флуктуационный и статический нагрев датчика, собственное радиоизлучение плазмы пламени, и отражение сигнала от следующего по потоку рабочего колеса. Уточнена форма спектра и предложены меры снижения помеховых откликов, путём повышения зондирующей частоты до 28-37,5 ГГц, и модификации конструкции датчика, а также детекторного блока.
5. В качестве критерия эффективности (контролеспособности) автодинной диагностической радиосистемы предложена и вычислена её информационная производительность (по Шеннону).
Положения, выносимые на защиту:
1. Способ радиолокационной функциональной (полётной) диагностики ротора ГТД, включающий возбуждение в секции проточного тракта (турбины высокого давления) электромагнитного поля, преобразование изменений его структуры в изменение коэффициента обратного рассеяния, и далее, в автодинный радиолокационный отклик.
2. Установление численным методом моделирования в электродинамике трёхмерной структуры поля, как функции конфигурации элементов конструкции, в частности, регулярного и вибрационного перемещения лопаток турбины при различных зондирующих частотах гигагерцового диапазона.
3. Физическая и математическая модели автодинного локатора. Результаты анализа динамического режима, включающего определение формы огибающей спектра частотного автодинного отклика.
4. Результаты сопоставления величины и спектров откликов по пункту 3 для известных и предложенных автором схем, и конструкций автодинных локаторов.
5. Принцип оценки эффективности названных локаторов по информационной производительности по Шеннону, т.е. с учётом помеховых воздействий со стороны рабочего процесса ГТД.
Практическая ценность работы. Практическая ценность работы состоит в оперативном выявлении в условиях полёта и на предаварийной стадии приблизительно половины из известных неисправностей ГТД, что способствует повышению безопасности полётов и продлению ресурса узлов ГТД. Опыт разработки и испытаний, подобных по конструкции датчиков параметров пламён в камерах сгорания жидкостных реактивных двигателей показал их достаточную устойчивость к агрессивным воздействиям.
Теоретическая значимость работы состоит в том, что разработанная теория работы автодинов обеспечивает возможность создания систем и устройств на их основе с улучшенными параметрами и характеристиками, что является вкладом в прикладных областях науки и техники. Кроме того, ценностью работы является распространение численного метода моделирования в электродинамике в среде FEKO, предназначенного для проектирования сложных антенн, на выявление отклика в системе ближней (ближнепольной) радиолокации.
Реализация результатов работы. Результаты исследования внедрены в разработку в ООО «III111 «МЕРА» (г. Москва) и использованы в учебном процессе в ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ» в виде лабораторной работы «Исследование автодинного приёмопередатчика БРЛ» и в двух дипломных проектах.
Публикации и апробация. Основные результаты диссертации представлялись на следующих конференциях: Международная молодёжная конференция «Туполевские чтения», г. Казань (2005, 2006, 2007 г.); 20th European Time and Frequency Forum, Braunschweig, Germany (2006); 13-я международная молодёжная научная конференция «Радиолокация, навигация, связь», г. Воронеж (2007 г.); 13¬я международная молодёжная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва (2007 г.); VI Международная научно-техническая конференция «Физика волновых процессов и радиотехнические системы», г. Казань (2007 г.); Международная научно-техническая конференция «Информационно-измерительные, диагностические и управляющие системы», г. Курск (2009, 2011 г.), 28th European Time and Frequency Forum, Neuchatel, Switzerland (2014); Международный симпозиум «Надёжность и Качество», г. Пенза (2014 г.); 24'th Int. Crimean Conference “Microwave & Telecommunication Technology” (CriMiCo’2014), Sevastopol, Crimea, Russia.
Основные результаты опубликованы в 16 печатных работах, в том числе в 2 статьях (в ведущем рецензируемом журнале); в 5 трудах и материалах конференций, в 7 тезисах докладов, в 1 патенте РФ на полезную модель, в 1 патенте России на изобретение.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и одного приложения. Она изложена на 192 страницах и содержит 49 рисунков, 4 фотографии, 11 таблиц. Список литературы включает 111 наименования.
1. Предложен и разработан способ функциональной диагностики лопаток рабочих колёс ГТД, основанный на непрерывном зондировании ротора СВЧ радиоизлучением, с преобразованием состояния и перемещения лопаток в комплексный коэффициент отражения. Диагностический алгоритм включает автодинное, или автогенераторное преобразование сопротивления в частоту излучения. Диагностическим параметром выбрана форма огибающей спектра радиолокационного отклика, а диагностическими признаками - спектральные плотности отклика на известных участках спектра. При этом использована дискретность спектров, обусловленная отражённого сигнала циклическими процессами в ГТД (с частотой в несколько кГц).
2. В применении к двум типам антенн: кольцевой-щелевой и открытому концу круглого волновода, исследован процесс формирования диагностического отклика при квазистатическом вращении ротора. Количественно оценена амплитуда и фаза коэффициента отражения при регулярном, и вибрационном перемещении лопаток, а также при поломке лопатки. Расчёты произведены с использованием программного продукта численного электромагнитного моделирования FEKO.
3. Выбраны схемы и конструкции автодинных вибродатчиков (три варианта), преобразующих регулярные и вибрационные перемещения лопаток (а также их деформации и поломки) в частоту генерации автодина. Проведён анализ динамики вибродатчиков в рабочем режиме ГТД, частотный отклик составляет десятки - сотни кГц, что обеспечивает надёжное обнаружение аномалий. Найдены спектральные характеристики диагностического отклика, установлены диагностические признаки вибраций, деформаций и поломок лопаток, а также проскальзывания, и биения вала. Оценено влияние размеров антенны (радиуса и ширины щели) и зондирующей частоты на величину отклика. Признано, что автодинный датчик с цилиндрическим резонатором и с открытым концом волновода в качестве антенны даёт наилучшие показатели. Изучены спектры помеховых откликов и опробованы предложенные, в более ранних исследованиях, способы их минимизации.
4. Предложен двухканальный вариант запатентованной многоканальной радиолокационной диагностической системы, и исследована её контролеспособность. При этом критериями оценки приняты информационная производительность на особо значимых участках спектра. Установлено, что контролеспособность (по мнению авиаспециалистов) пропорциональна информационной производительности на особо значимых участках виброспектра. Также установлено, что наиболее существенный рост информационной производительности обеспечивается повышением зондирующей частоты до 28-37,5ГГц.
5. Разработаны схема и конструкция, изготовлен и испытан образец датчика с цилиндрическим волноводом, конструктивно сопрягаемый с реальными ГТД.
Конструкции и степень контролепригодности современных газотурбинных авиадвигателей, например семейств: Д-436 (Ту-334, Ан-148, Бе-200), ПС-90А (Ил- 96, Ту-214, Ил-76), CFM-56 (Boeing 737 Classic, Boeing 737 NG, Airbus A320), CF- 34 (Bombardier CL-605, Bombardier CRJ1000 NextGen, Embraer E-195) уже сейчас позволяют без конструктивных изменений ГТД оснастить их диагностическими системами на основе радиолокационных (автодинных) датчиков. Функциональные возможности таких систем в принципе, а после доработки диагностических (компьютерных) алгоритмов, и практически, позволят выявить в условиях полёта, и в доаварийном состоянии до половины неисправностей проточного тракта ГТД.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
